摘要
为了探究枝条还田方式对梨树枝条腐解及土壤肥力的影响，以北京市大兴区 3 个不同土壤肥力等级梨园为对象，设置枝条直接粉碎还田（FS）、枝条堆肥后还田（DF）及不还田对照（CK）处理，通过田间试验结合室内分析，系统比较了两种还田方式对枝条腐解速率、土壤养分及微生物特性的影响，旨在为梨园枝条资源化利用和土壤肥力提升提供科学依据。结果表明，1）DF 在土壤水肥条件较好的昌兴梨园显著提升枝条腐解率至 54%，较 FS 提高 6%，且 DF 比 FS 腐解后枝条腐殖质和有机质含量分别提高了 6% 和 12%；2）在水肥条件较差的果园中 FS 的腐解率（44%）显著高于 DF（36%）；3）DF 显著提高土壤全氮和有效磷含量，较 CK 分别增加 14% 和 37%，但对速效钾、有机质及腐殖质含量无显著影响；4）DF 显著提高土壤微生物生物量碳含量、增强木质素过氧化物酶及纤维素酶活性，并提高细菌多样性指数（Chao、Shannon 指数）。综上，建议水肥条件较好的果园优先采用枝条堆肥后还田以提升土壤生态功能，水肥条件较差的果园宜采用枝条直接还田快速补充有机质，研究结果为果园废弃物资源化利用及土壤可持续管理提供理论依据。
Abstract
To explore the effects of return methods on pear tree branch decomposition and soil fertility，this study selected three pear orchards with different soil fertility levels in Daxing district，Beijing，and three treatments were established：direct shredding and returning to the field（FS），composting before returning to the field（DF），and no returning to the field control（CK）．Through field experiments combined with laboratory analysis，the effects of the two branch return methods on branch decomposition rate，soil nutrients，and microbial properties were systematically compared，aiming to provide a scientific basis for the resource utilization of pear tree branches and the improvement of soil fertility．The results showed that： 1）In the Changxing orchard with good soil water and fertility conditions，DF treatment significantly increased the branch decomposition rate to 54%，which was 6% higher than that of FS treatment．The humus and organic matter contents of the decomposed branches increased by 6% and 12% in DF treatment，respectively；2）In the low-water and low-fertility orchard，the decomposition rate of FS treatment（44%）was significantly higher than 36% of DF treatment；3）DF treatment significantly increased the soil total nitrogen and available phosphorus contents by 14% and 37% compared with CK，respectively，but had no significant effect on available potassium，organic matter，and humus contents；4）DF treatment significantly enhanced soil microbial biomass carbon，lignin peroxidase，and cellulase activity，and increased bacteria α-diversity indices（Chao，Shannon index）．In conclusion，DF was recommended for orchards with high-water and high-fertility conditions to enhance soil ecological functions，while low-water and low-fertility orchards should apply FS to rapidly replenish organic matter．The study results could provide a theoretical basis for the resource utilization of orchard waste and sustainable soil management.
近 30 年来，我国果树种植面积和果品产量一直稳居世界第一，梨是我国第三大水果，2023 年全国梨种植面积达到 97 万 hm2，年产量接近 2000 万 t，占全球总产量的 77.8%[1]。我国每年产生大量的枝条废弃物，按果园年修剪枝条量 7.5 t/hm2 估算，全国每年产生的果园修剪枝条量高达 9562.5 万 t[2]。果树枝条的处理方法多种多样，主要包括直接粉碎还田、堆肥还田、焚烧、堆放、制作生物能源、培养食用菌等。果树为多年生植物，枝条中储存着大量碳素及氮、磷、钾等营养元素，还含有丰富的纤维素、木质素、蛋白质、糖类和脂肪等有机质，如果将修剪的枝条随意堆放或焚烧，不仅造成有机无机物质的浪费，还可能滋生细菌和病虫害，对空气质量和环境造成负面影响[3-4]。果园枝条还田作为一种有效的资源化利用方法，不仅能够提升土壤肥力和改善土壤结构，还能减少环境污染，对于我国化肥减量及“双碳”目标的实现均具有十分重要的意义。
果树枝条还田作为提升土壤有机质和速效养分的有效途径[5-9]，主要分为直接还田与间接还田两种模式。直接还田即机械粉碎后原位施用，具有操作简便、成本低廉的优势，已被广泛应用于果园管理中；枝条间接还田是把枝条等果园固体废弃物粉碎进行堆肥后再还田，成为实现修剪枝条的资源化利用的重要途径[10-11]。前期田间调查发现，北京大兴梨区粉碎枝条的降解速率呈现显著空间异质性，推测与土壤肥力差异密切相关。研究表明，枝条粉碎后与腐熟剂掺混后堆肥还田，除可以提升土壤肥力、促进果树生长外，还能缩短枝条腐熟时间、加快腐熟进程[3，12]，但关于两种还田方式对枝条腐解动力学及土壤性质的差异化影响，尤其是其在不同肥力果园中的适用性仍缺乏系统研究。明确不同肥力条件下最优还田方式的适配机制，对完善果园废弃物循环利用技术体系具有重要科学价值。
本研究基于 3 个不同土壤肥力等级的果园，开展了枝条粉碎后直接还田和堆肥后还田研究，旨在明确还田方式对果园枝条腐解速度和土壤性质的影响，为不同果园筛选适宜的枝条还田方式。该研究可以为果园枝条废弃物再利用，推广梨树枝条还田技术提供技术支持和科学依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验地点位于北京市大兴区（39 °26 ′～39°51′N，116°13′～116°43′E），气候类型为暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均气温为 12.2℃，多年平均降水量 504 mm，无霜期一般为 190～195 d。开展试验的 3 个果园分别为土壤肥力最高的长子营镇北京昌兴种植园（文中简称昌兴梨园）、土壤肥力较高的魏善庄镇壁海林果果园（文中简称壁海林果果园）、土壤肥力最低的庞各庄镇韩家铺村老梨树果园（文中简称韩家铺老梨园），3 个果园的基础土壤性质见表1。
表13 个果园基础土壤性质
1.2 试验设计
试验于 2024 年 4—8 月进行，在 3 个果园分别设置 3 个处理，包括对照处理、枝条直接粉碎还田处理、枝条堆肥后还田处理。每个处理 3 个重复，小区面积为 30 m2。1）对照处理：枝条不还田； 2）枝条直接粉碎还田：将修剪枝条粉碎为 1～3 cm 片段，于花期（4 月 28 日）均匀撒布于树行间，旋耕 20 cm 使与土壤混合；3）枝条堆肥后还田：按枝条∶牛粪体积比 1∶2（重量比 1∶4）掺混，添加微生物菌剂进行膜覆盖好氧发酵技术堆肥 38 d，腐熟产物粪大肠菌群及蛔虫卵死亡率均达有机肥标准（NY 525—2021），于坐果期（6 月 6 日） 施入行间并旋耕混土。两种枝条还田方式枝条等量还田，还田量为 75000 kg/hm2。每年梨采收完成后，昌兴梨园基肥撒施 22.5 t/hm2 的有机肥，除此之外不再进行追肥；壁海林果果园基肥沟施 40.5 t/ hm2 的有机肥，于次年 5 月追施 450 kg/hm2 的复合肥，追肥方式为穴施；韩家铺老梨园基肥穴施 15.0 t/hm2 的有机肥，除此之外不再进行追肥。
1.3 样品采集与分析
采用尼龙网袋法研究枝条腐解特征，枝条还田前或堆肥前称取 40 g 烘干枝条装入 0.106 mm 尼龙网袋（20 cm×30 cm）。枝条直接粉碎还田处理在 4 月 28 日直接将 3 袋凋落物袋埋入 20 cm 土层平铺后覆土；与之不同的是，枝条堆肥后还田处理的 3 袋凋落物袋先埋于堆体中，堆肥还田时再将凋落物袋取出埋于 20 cm 土层后覆土。两个处理各于试验果园果实成熟期（8 月 27 日）取出 3 个凋落物袋，枝条洗净烘干后用于监测枝条腐解率（原始枝条与从土壤取出后枝条干物质损失量占原始枝条干物质量的比例）、枝条有机质与腐殖质含量，从而反映不同处理条件下枝条的腐解情况。
2024 年 8 月 27 日于果实成熟期采集土壤样品，在树冠垂直投影内 0.5 m处对角线采集 5钻 0～20 cm 土样混合，新鲜土样用于测定微生物相关指标，包括微生物生物量碳（MBC）含量、纤维素酶活性、木质素过氧化物酶活性与微生物多样性，风干后的土壤样品按照不同的分析要求研磨过筛用于其他化学指标分析，包括土壤总氮、有效磷、速效钾、有机质、腐殖质含量。
土壤样品中的各组分的检测方法如下：全氮、土壤有机质、有效磷、速效钾和腐殖质含量参照 《土壤农化分析》[13]的方法测定，总氮含量采用半微量凯氏法检测；有效磷含量采用碳酸氢钠溶液提取、钼锑抗比色法检测；速效钾含量采用乙酸铵提取、火焰光度法检测；有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法检测；腐殖质采用焦磷酸钠－氢氧化钠提取，重铬酸钾氧化容量法检测；纤维素酶、木质素过氧化物酶采用滤纸酶活检测；MBC 含量采用氯仿薰蒸浸提法检测[14]；本研究采用基于 Illumina MiSeq 平台的 16S rRNA 基因高通量测序技术，通过扩增细菌 16S rRNA 基因 V3～V4 可变区（引物341F/806R）分析细菌群落多样性。
1.4 数据分析
运用 Excel 2010 和 Origin 8.0 对数据进行分析及作图，采用 SAS 6.12（SAS Institute，Cary，NC，美国）进行双因素方差分析，运用最小显著性检验比较了 SAS 中 0.05 概率水平各指标的差异。
2 结果与分析
2.1 不同枝条还田方式对枝条腐解特征的影响
经过将近 4 个月的腐解，3 个果园不同还田方式下的枝条腐解率有所不同（表2）。昌兴梨园枝条堆肥后还田较直接粉碎还田显著增加了枝条腐解率（54% vs 48%），壁海林果果园两种还田方式枝条腐解率变化不大（堆肥后还田 43% vs 直接粉碎还田 40%），而韩家铺老梨园中直接枝条直接粉碎还田腐解率显著高于堆肥后还田（44% vs 36%）。3 个果园中，昌兴梨园枝条腐解率最高（2 个处理平均为 51%），显著高于壁海林果果园（42%）和韩家铺老梨园（40%）。昌兴梨园中枝条堆肥后还田的枝条腐殖质含量比枝条直接粉碎还田提高了 6%（275 vs 259 g/kg），枝条有机质含量比枝条直接粉碎还田提高了 12%（84% vs 75%），而其他两个果园两种还田方式下枝条腐殖质和有机质含量差异不显著。3 个果园中腐解后枝条的腐殖质和有机质含量没有显著差异。
表2枝条还田方式对枝条腐解率、腐解后枝条腐殖质和有机质含量的影响
注：表中数值为平均值。ZZY，长子营镇昌兴梨园；WSZ，魏善庄镇壁海林果果园；HJP，庞各庄镇韩家铺老梨园。DF，枝条堆肥后还田；FS，枝条直接粉碎还田。不同小写字母代表还田方式间差异显著，不同大写字母（对应数据为处理平均值）代表不同果园间差异显著。下同。
2.2 不同枝条还田方式对土壤肥力特征的影响
不同还田方式对土壤养分的影响存在果园间差异 （表3）。土壤全氮含量仅在韩家铺老梨园的枝条堆肥后还田处理显著低于直接粉碎还田，其他果园各处理间没有显著性差异。土壤有效磷含量在昌兴梨园与壁海林果果园的堆肥处理中枝条堆肥后还田分别较直接还田提升 30%（358 vs 274 mg/kg）和 56%（201 vs 129 mg/kg），而韩家铺老梨园无显著变化。速效钾含量仅昌兴梨园堆肥处理显著高于对照（78 vs 54 mg/kg），其余果园处理间速效钾含量差异不显著。土壤全氮、有效磷与速效钾含量在 3 个果园中差异显著且均表现为昌兴梨园 >壁海林果果园 >韩家铺老梨园。综合 3 个果园来看，相对枝条不还田或直接粉碎后还田，枝条堆肥后还田显著提升了 14% 的土壤全氮含量（1.77 vs 1.56 g/kg）与 37% 的有效磷含量（188 vs 137 g/kg），但对土壤速效钾含量无显著调控效应。
表3枝条还田方式对土壤全氮、有效磷和速效钾含量的影响
3 个果园不同枝条还田方式对土壤有机质和腐殖质含量均没有产生显著影响（表4）。3 个果园土壤有机质和腐殖质含量均表现为昌兴梨园（有机质 45.3～47.3 g/kg，腐殖质 23.5～24.4 g/kg）>壁海林果果园（有机质 24.3～28.4 g/kg，腐殖质 10.1～11.7 g/kg）>韩家铺老梨园（有机质 8.6～9.1 g/kg，腐殖质 3.6～3.7 g/kg）。综合 3 个果园来看，枝条不同还田方式短期内对有机质和腐殖质没有显著影响。
表4枝条还田方式对土壤有机质和腐殖质含量的影响
2.3 不同枝条还田方式对微生物特性和土壤酶活性的影响
不同枝条还田方式对 MBC 含量有显著影响 （表5），3 个果园均表现为枝条堆肥后还田和直接粉碎还田相比枝条不还田处理显著增加了 MBC 含量，增加幅度为 20～23%；且枝条堆肥后还田处理 MBC 在昌兴梨园（657 vs 588 mg/kg）和壁海林果果园（641 vs 619 mg/kg）高于直接粉碎还田处理。3 个果园土壤 MBC 含量表现为韩家铺老梨园显著高于其他两个果园。综合 3 个果园整体来看，枝条堆肥后还田和直接粉碎还田相比枝条不还田显著增加了 MBC 含量，而两种枝条还田方式间并未表现出显著差异。
土壤木质素过氧化物酶与纤维素酶活性均表现为枝条堆肥还田>直接粉碎还田>不还田，其中木质素过氧化物酶活性在昌兴梨园和壁海林果果园显著高于韩家铺老梨园；土壤纤维素酶活性表现为壁海林果果园高于其他两个果园，其中与昌兴果园差异显著。综合 3 个果园整体来看，枝条堆肥后还田对酶活性的提升效果优于直接粉碎还田，说明其更利于木质纤维素降解。
表5不同枝条还田方式对土壤微生物生物碳含量、木质素过氧化物酶和纤维素酶活性的影响
土壤微生物的α多样性指数是衡量特定区域内微生物多样性的重要指标，它包括丰富度、均匀度和多样性等多个方面，常用的微生物α多样性指数有 Chao 指数、Shannon 指数等。不同枝条还田方式对细菌α多样性指数的影响如表6所示，Chao 指数和 Shannon 指数在壁海林果果园和韩家铺老梨园 3 个枝条还田处理没有显著性差异，在昌兴梨园中枝条粉碎直接还田比其他两个处理均有所降低。 Shannon 指数在韩家铺老梨园显著低于其他两个果园，而 Chao 在 3 个果园均没有显著性差异。综合 3 个果园整体来看，Chao 指数和 Shannon 指数均表现为枝条堆肥后还田处理显著高于其余两个处理，表明枝条堆肥后还田可以提高细菌多样性，有利于提升土壤生态系统健康和功能。
表6枝条还田方式对土壤细菌多样性的影响
3 讨论
本研究通过对比梨树枝条直接粉碎还田与堆肥后还田两种方式，揭示了不同还田模式对枝条腐解及土壤养分、微生物特性的差异化影响。研究结果表明，枝条堆肥还田在昌兴梨园和直接粉碎还田相比显著提升了枝条腐解率（54% vs 48%），综合 3 个果园比直接粉碎还田增加了枝条腐殖质含量和枝条的有机质含量，并提高了土壤全氮和有效磷含量（分别增加 14% 和 37%）。这与李秀丽等[3]的研究结果类似，其发现苹果枝条堆肥还田能够加速枝条腐解。枝条堆肥还田在昌兴梨园优势明显可能源于昌兴梨园良好的水肥条件可以为微生物活动提供理想环境，可能通过以下机制加速枝条腐解并提升土壤肥力：首先，堆肥过程中添加的微生物菌剂和有机质能够更好地激活土壤微生物活性，从而促进枝条中纤维素、半纤维素和木质素的降解，加速有机质的矿化和腐殖化[3，11，15]。本研究结果表明，堆肥还田处理显著提高了土壤 MBC 含量和酶活性，表明微生物代谢活性增强。其次，堆肥还田处理可以促进养分协同，牛粪中的速效养分与枝条碳源形成合理碳氮比，为微生物生长提供均衡底物，促进有机质矿化与腐殖质形成[8]。昌兴梨园堆肥后还田处理的枝条腐殖质含量较直接粉碎还田提高 6%（表2） 印证了这一机制。此外，砂质黏壤土的高持水能力维持了堆肥过程的湿润环境，有利于嗜热菌群的活动，加速高温阶段的腐解[4，16]，堆肥产物也可改善土壤团聚体结构，增强养分吸附能力，进一步促进腐解产物向土壤养分的转化[7]。
值得注意的是，不同果园土壤肥力水平显著影响还田方式的效果。在水肥条件较差的韩家铺老梨园，直接粉碎还田的枝条腐解率（44%）反而高于堆肥处理（36%），直接粉碎还田的优势可能源于以下原因：首先，直接粉碎还田通过增加枝条碎片与土壤的接触面积，直接为贫瘠土壤补充碳源，刺激本土微生物的初期分解活动[4]，且低肥力土壤中微生物群落结构单一，对外源菌剂的竞争适应性较弱，堆肥引入的复杂菌群可能因资源竞争抑制分解效率[9]。其次，低肥力土壤中有效氮、磷匮乏，堆肥还田需消耗额外养分用于微生物增殖，可能加剧养分限制，而直接粉碎还田可以缓慢释放枝条中的养分，更适应贫瘠土壤的分解需求[9]。本研究结果表明，还田方式的选择需结合果园土壤本底水肥条件，保水保肥性能较强的果园优先采用堆肥还田以发挥其协同增效作用，而保水保肥性能较弱的果园则可考虑直接粉碎还田，简化分解路径和减少外源干扰，更利于快速启动分解过程[5]。
从微生物多样性角度来看，堆肥还田显著提高了土壤细菌的α多样性指数（Chao、Shannon 指数），表明其能够通过引入多样化菌群和底物资源优化微生物群落结构。这一结果与 Repullo 等[8]在橄榄园的研究结论一致，其发现长期有机物料还田可显著提升土壤微生物多样性，进而增强生态系统稳定性。然而，本研究中韩家铺老梨园的细菌多样性提升效果较弱，可能与土壤 pH 偏高（8.2）及有机质匮乏（9.0 g/kg）导致的微生物活性抑制有关。 Tahboub 等[9]在山核桃园的研究同样表明，碱性土壤中微生物对有机物料分解的响应较弱，需结合酸化改良措施以提升还田效果。
尽管本研究明确了堆肥还田在提升土壤肥力和微生物活性方面的优势，但仍存在一定局限性。研究仅开展了 5 个月的短期田间试验，无法全面揭示枝条还田对土壤碳固存、微生物群落稳定性及果树产量的长期影响。无法全面揭示枝条长期还田对土壤结构、碳固存及果树产量的影响。例如，冯海萍等[15]指出，微生物菌剂对有机质转化的促进作用需在长期定位试验中进一步验证。其次，试验仅基于北京市大兴区 3 个果园（砂质黏壤土、砂质壤土、壤质砂土），未涵盖其他气候区（如干旱或湿热地区）或土壤质地（如黏土）。这一局限性可能影响研究结论的普适性，建议后续研究扩大样本范围，涵盖更多生态区域以提高结论的普适性。
综上，梨树枝条堆肥还田可作为高肥力果园土壤可持续管理的重要技术，其通过调控微生物功能与多样性实现养分高效循环。然而，针对不同肥力果园需制定差异化还田策略，并探索与精准施肥、土壤改良剂等技术的集成应用[2]。未来研究应聚焦长期效应与多目标协同优化，为我国果园绿色转型与“双碳”目标实现提供理论支撑。
4 结论
（1）水肥条件较好的果园（昌兴梨园）中枝条堆肥还田显著提升枝条腐解率（54%）及腐殖质含量及有机质含量，而水肥条件较差的果园（韩家铺老梨园）枝条直接粉碎还田枝条腐解率（44%）高于堆肥后还田处理（36%）。
（2）枝条堆肥后还田可显著提高土壤全氮 （14%）和有效磷（37%），但对土壤有机质、腐殖质及速效钾影响不显著。
（3）枝条堆肥后还田可以提高 MBC 含量、增强木质素过氧化物酶及纤维素酶活性，优化微生物多样性。
（4）建议水肥条件较好的果园优先采用枝条堆肥后还田，水肥条件较差的果园结合枝条直接粉碎还田与土壤改良措施，以实现资源高效利用与生态功能协同提升。